机械制造技术——机械加工质量控制

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1、2018/9/14,1,（6）,制造技术基础,2018/9/14,2,第6章 机械加工质量 6.1 加工精度和表面质量,6.1.1 加工精度,在切削加工中，影响零件加工精度的主要因素： （1）加工原理误差因采用了近似的加工方法或传动方式及形状近似的刀具而造成的误差。,2018/9/14,3,例：展成法加工齿轮，即：滚刀切削刃各个瞬时位置的包络面形成齿轮齿面。理论上要得到渐开线齿面，滚刀应采用渐开线蜗杆。但是，由于制造上的困难，生产上实际采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆，由此产生的误差原理误差。,2018/9/14,4,机床误差,机床 导轨误差主轴误差传动链误差,机床的制造精度安装精度磨 损,机床

2、导轨误差 在水平面内的直线度误差 在垂直面内的直线度误差 前后导轨的平行度误差,（2）机床、刀具及夹具误差包括： 制造和磨损误差,2018/9/14,5,例：卧式车床的纵向导轨在水平面内的直线度误差，直接产生工件直径的尺寸误差和圆柱度误差。,例：在车床上精车长轴和深孔时，随着车刀逐渐磨损，工件表面出现锥度而产生其直径的尺寸误差和圆柱度误差。,2018/9/14,6,2018/9/14,7,机床导轨在水平面内 的直线度误差y,R引起的加工误差：（纵向车削时） 若导轨在水平面内向前凸起，工件为腰鼓形； 若导轨在水平面内向后凸起，工件为马鞍形。,刀尖在水平面内 的位移y,工件在半径上的误差 （加工表

3、面的法线方向） R = y D = 2 y,2018/9/14,8,在卡盘上夹紧薄壁套、圆环等刚度较差的工件时，工件容易产生弹性变形。,（3）工件装夹误差包括：定位误差和夹紧误差,夹紧力的影响,措施：加工薄壁零件时，可采用液性塑料夹具代替三爪卡盘，以保证夹紧力应在工件圆周上均匀分布。,例：镗削 加工出的孔 三角棱圆形,2018/9/14,9,图a）装夹前工件的形状,图b）内孔加工完后还未卸下的形状,图c）加工后卸下工件，弹性变形恢复后的形状，此时 装夹误差反映到加工表面内孔上。,2018/9/14,10,（4）工艺系统变形误差工艺系统机床、夹具、工件和刀具构成的弹性工艺系统 1.受力弹性变形误

4、差,例：轴在两顶尖之间加工，近似于一根梁自由支承在两个支点上，在背向力Fp的作用下，加工的轴为腰鼓形。,2018/9/14,11,b）用卡盘装夹轴； c）用卡盘-顶尖装夹轴在背向力Fp的作用下加工出的轴类零件形状如图所示。 措施：加工刚度较差的细长轴工件时，常采用中心架或跟刀架等辅助支承，以减小工件受力变形。,2018/9/14,12,2018/9/14,13,在精密加工中引起的加工误差占总加工误差的4070% 在大型零件的加工中对精度的影响显著 在自动化生产中使加工精度不稳定 机床热变形： 磨床：外圆磨床的主要热源砂轮主轴的摩擦热、液压系统的发热，对加工精度影响较大。 其他机床：主要热源主轴

5、箱，导致主轴抬高并倾斜，使床身凸起（在垂直面内）：,热源：内部热源外部热源,有垂直（或倾斜）刀架的机床，对加工精度影响较大。,2.工艺系统的热变形误差,2018/9/14,14,2018/9/14,15,刀具热变形,特点：刀体小、热容量小、温升高（例：高速钢车刀切削时，刀刃温度达700800 oC,刀具伸长量达0.030.05mm） 工件热变形 工件受热膨胀均匀：引起尺寸变化 工件受热膨胀不均匀：引起形状变化 加工平面（铣、刨、磨等）：工件单侧受热工件向上凸起凸起部分被切除冷却后平面呈凹形,加工长的精密工件时：热变形对加工精度的影响显著 例：磨削长为3000mm的碳钢丝杠，磨削后温升3度，丝杠

6、伸长量为0.1mm（6级丝杠的螺距误差在全长上的允差为0.02mm）,2018/9/14,16,2018/9/14,17,工件加工过程中： 各部分受热不均冷却速度不同 金相组织变化 塑性变形 切削热、力的影响,（5）工件内应力,工件内：拉应力和压应力并存而总体处于平衡状态。,* 当外界条件发生变化，如温度改变或从表面再切去一层金属后，内应力的平衡即遭到破坏，引起内应力重新分布，使零件产生新的变形。,工件形状愈复杂，各部分厚度愈不均匀 内应力愈大。,2018/9/14,18,2018/9/14,19,减小内应力的措施： 合理设计零件结构； 粗、精加工分开； 粗、精加工分开，且在其间安排退火或时效

7、工序以减少或消除内应力。,退火 将钢制零件加热到临界温度附近，保持一些时间，再缓慢冷却的一种工艺过程。 目的：消除内应力，使之达到稳定状态。,2018/9/14,20,自然时效将铸件、焊件的毛坯、粗加工的工件在室内、室外放置较长时间，使其在自然气温下，内应力重新分布，工件充分变形，继而进行后续的机械加工。 人工时效将中小零件在炉内预热后低温保温几小时。目的：消除内应力，使之达到稳定状态。,2018/9/14,21,6.1.2表面质量,表面质量零件在加工后表面层的状况。包括：表面粗糙度、表面变形强化（表面硬化）和残余应力等。,影响表面粗糙度的主要因素： （1）切削残留面积,减小 f,减小残留面积

8、,减小表面粗糙度,或增大刀尖圆弧半径r,2018/9/14,22,2018/9/14,23,（2）积屑瘤,精加工塑性金属： 采用高速切削（vc100mmin）或低速切削（vc 5mmin）避免产生积屑瘤获得较小的Ra值。,使刀具对工件产生周期性的位移在加工表面上形成类似波纹的痕迹使Ra值增大在切削加工中，应尽量避免振动。,（3）工艺系统振动,2018/9/14,24,6.2 机械加工误差的综合分析方法,6.2.1 误差的性质 （1）系统误差常值系统误差变值系统误差,常值系统误差： 原理误差 机床的制造误差 刀夹具、量具的制造误差调整误差 工艺系统的静变形,变值系统误差： 机床、刀具的热变形 刀

9、具的磨损,随机误差：定位误差 夹紧误差 多次调整误差 毛坯误差的复映 内应力变化,（2）随机误差,2018/9/14,25,误差处理的方法,常值系统误差： 若能掌握其大小和方向，可通过调整解决。 变值系统误差： 若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，可通过自动补偿消除。 随机误差： 只能缩小其变动范围，可由概率论与数理统计方法估计误差变动范围。,2018/9/14,26,机械制造中常见的误差分布规律（随机误差）,正态分布（满足三点假设）： 无变值系统误差 各随机误差相互独立 各随机误差中没有一个起主导作用 平顶分布 加工中刀具线性磨损影响显著，工件尺寸误差呈现平顶分布。 双峰分布 将两台机床所

10、加工的工件（同一图纸）混在一起，工件的尺寸误差呈双峰分布。 偏态分布 用试切法车削时，为避免产生不可修复废品，主观地使孔偏向Dmin，使轴偏向Dmax, 则孔轴的尺寸误差呈偏态分布.,2018/9/14,27,2018/9/14,28,6.2.2 加工误差的分布曲线分析法,1.实际分布曲线（作图方法及应用） 例：批量精镗活塞销孔，尺寸要求：,Dmax = 28 mm Dmin = 27.985mm 孔的尺寸公差 IT = 0.015mm 公差带中心 = 28 0.0152 = 27.9925（mm）,抽查100件，分为6组（间0.002mm） 由题可知，设计要求：,2018/9/14,29,D

11、amax = 28.004mm Damin = 27.992mm 实际分散范围 = 28.00427.992=0.012（mm）,2018/9/14,30,2018/9/14,31,废品： 28.000 工件尺寸 28.004即： 废品率=18% （图中阴影部分） 已知： 分散范围中心与公差带中心不重合 ，不重合的部分即为系统 （镗刀的调整误差）： 系统 = |分散范围中心公差带中心|=27.9979 27.9925=0.0054（mm） （常值系统误差） 结论： 虽然公差范围（0.015）分散范围（0.012），但由于存在系统 ，仍产生废品，其废品率达18%，故应重新调整镗刀的位置，将镗刀伸

12、出量调小0.0054mm（直径量），使分散范围中心与公差带中心重合。,2018/9/14,32,2.理论分布曲线,统计表明：工件数n无限增大，尺寸间隔无限减小，实际分布折线 光滑曲线 正态分布曲线,式中:,均方差,工件尺寸,工件分散范围中心 （平均值）,2018/9/14,33,正态分布曲线的特点：参见P138,2018/9/14,34,2018/9/14,35,查表练习:（F概率函数积分）,加工中，一般取3为工件尺寸的分散范围, F=49.865%, P=99.73% F=47.720%, P=95.44% F=34.130%, P=68.26%,2018/9/14,36,工艺能力分析： 已

13、知：工件尺寸的分散范围为3 工件公差带 T6,工艺能力工序处于稳定状态时，加工误差（随机误差）正常波动的幅度。（用6表示） 工艺能力系数Cp工艺能力满足加工精度要求的程度。当工序处于稳定状态时，可计算：,2018/9/14,37,P137例题： 工件公差带范围0.0015mm工件尺寸分散范围0.0012mm工艺能力系数 Cp = T6= 0.00150.0012= 1.25 （二级）,2018/9/14,38,分布曲线法的特点：,分布曲线法采用大样本，故能接近实际地反映工艺过程总体。 能把工艺过程中存在的常值系统误差从误差中区分开。 只有一批工件加工完毕后才能绘制分布曲线，故不能在工艺过程中及

14、时地提供工艺过程精度的信息。 计算较复杂。 只实用于工艺过程稳定的场合。,2018/9/14,39,6.2.3 点图法,采用顺序小样本（每隔一定时间抽检 m=510个工件作为小样本），计算各小样本的算术平均值及极差：,点图反映出加工过程中分布中心的位置及其变化趋势，反映系统误差对加工精度的影响； R 点图反映了加工过程中极差分布范围的变化趋势，反映随机误差的影响。,按加工的顺序作出尺寸的变化图，可暴露在整个加工过程中的误差变化全貌。,2018/9/14,40,；,2018/9/14,41,样本平均值的均值线 VCL、LCL：样本均值的上、下控制线样本极差R的均值线 VCL、LCL：样本极差R的上、下控制线,2018/9/14,42,点子的波动：,正常波动只有随机的波动工艺过程稳定 异常波动 工艺过程不稳定,2018/9/14,43,点图分析法的特点：,所采用的样本为顺序小样本 能在工艺过程的进行中，及时发现常值系统误差、变值系统误差和随机误差的分散情况，提供主动控制的资料。 计算简单,2018/9/14,44,作 业P142 1 2 3 4,